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Problème — La quadrature de la parabole, d'Archimède au pont

Exercice de TD · niveau 3 (difficile) · mathématiques complémentaires (terminale), chapitre 14 — Thème 4 — Calculs d'aires

Énoncé

Problème — La quadrature de la parabole, d'Archimède au pont.

Un pont en arc a une ouverture parabolique de m de portée et m de flèche. On place l'origine au pied gauche de l'arc, l'axe des abscisses au niveau des naissances.

Corrigé

ce qui est la flèche annoncée. L'aire de l'ouverture vaut, en développant :

On vérifie : . L'aire d'une arche parabolique vaut les deux tiers de celle du rectangle qui la contient — une formule qu'un maçon peut retenir.

C'est exactement l'aire trouvée par l'intégrale.

point où . Le triangle de sommets , et a pour aire

Par symétrie, le triangle correspondant à droite vaut aussi m : la deuxième génération totalise . On admet qu'il en va de même à chaque étape — c'est le cœur de la démonstration d'Archimède. L'aire du segment est alors

par la formule du chapitre 1 sur la somme des termes d'une suite géométrique de raison . Les sommes partielles valent ; ; ; ; : elles montent vers sans jamais l'atteindre, ce qui est précisément la façon dont Archimède raisonnait — en encadrant, faute d'avoir la notion de limite.

Il est frappant que la première quadrature exacte de l'histoire — un segment de parabole, par Archimède, vers — repose sur une suite géométrique, c'est-à-dire sur le chapitre 1 de ce livre, et que ce soit un calcul d'aire qui l'ait exigée. La méthode d'exhaustion, qui encadre l'inconnu entre deux quantités qu'on resserre, est l'ancêtre direct de notre comptage de carreaux : deux mille deux cents ans, et la même idée.

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